光学干涉滤光片的石英晶体膜厚自动监控技术

　　1　引　言

　　干涉滤光片的生产通常采用光学监控方法,但单纯依靠光学监控方法实现干涉滤光片的全自动生产还有一些困难。随着石英晶体膜厚监控方法的成熟;可编程控制器在国产镀膜机上的推广,用石英晶体膜厚控制仪完成干涉滤光片全自动工业生产的基本条件已经具备[1]。监控系统的构成对于镀膜机的布局有着重要的影响,也对镀膜机工艺过程的稳定性有极大的依赖性。

　　随着镀膜机工艺过程稳定性的提高[2],许多镀膜机将晶控探头靠近镀膜机的回转中心,光控比较片在晶控探头外,从而达到了较高的空间利用率,也体现出晶控的可靠性和重要性。随着膜系设计软件的进步,逐渐发展了非规整的膜系以获得优化的光谱曲线[3,4],石英晶体控厚和宽光谱监控的优势在于对非规整膜系,特别是其中的超薄厚度层的监控。国产光学镀膜机的光控系统一般选择单波长监控,与此相关的是,对于非规整膜系(或任意厚度的膜层)进行单波长监控,需要操作方便、运行可靠的比较片切换机构。在国产多用途光学镀膜机上用晶控稳定淀积速率,用光控判断淀积终点厚度,光控通过晶控仪和可编程控制器对镀膜过程实现自动控制,完成了多种干涉滤光片的全自动工业生产,这对于国产镀膜机的膜厚监控系统以至离子源的选配具有一定的参考价值。

　　2　晶控系统构成

　　由于MAXTEK公司MDC360型晶控仪的接口与国产镀膜机之间存在转接问题,首先需要对国产镀膜机进行了电路改造,以适应晶控仪参数的输入/输出要求。使用可编程逻辑控制器(PLC)建立晶控仪与国产镀膜机之间的联系,由晶控仪输出各种指令给PLC,再由PLC控制相应的操作单元去执行指令。详见图1:

　　石英晶体监控法根据淀积在晶控片上的薄膜物理厚度与质量之间的关系来监控膜层厚度,不能直接测量薄膜的光学厚度。同一种材料相同物理厚度的膜层,在镀膜过程中其折射率也会发生变化,使得相应的光学厚度也发生变化,如不加以修正将造成监控误差,这一问题对于TiO2薄膜最为严重,因此准确输入各TiO2层的折射率就十分重要。由于TiO2薄膜折射率与镀膜过程中多种变化的有些是不可测量的因素有关,目前还无法获得实际镀膜过程中TiO2薄膜折射率的变化规律,只能采用输入平均值的办法。由此而来的光学厚度监控误差为该膜层的物理厚度与TiO2薄膜折射率的变化之积。通过多比较片光学监测与晶体监测的对比实验,在镀膜过程中TiO2薄膜折射率的变化最大可接近0.2,见表1,这意味着最大监控误差达5%以上。这对于30层以下的截止滤光片来说,是可以接受的。从大批量生产的色温转换滤光片的色温和光谱测量结果看,采用输入TiO2薄膜折射率的变化平均值的办法,监控成功率达100%。不同批次产品色温的变化小于设计要求的80K,在使用石英晶体自动监控以前,这种成功率是无法达到的。